Понятие микропроцессорного комплекта БИС. Классификация микропроцессоров и их основные характеристики

Процессоры современных ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Реализовать процессор в одной БИС довольно сложно из-за физических ограничений интегральной технологии (число элементов на кристалле, количество внешних выводов, мощность рассеивания и т.д.). Для того чтобы обойти эти ограничения был использован следующий подход: структура процессора разбивается на функционально законченные блоки, такие как операционный, управляющий, интерфейсный, которые и реализуются в виде отдельных БИС. Функциональная законченность БИС означает, что она выполняет заранее определенные функции и может работать автономно, а для построения процессора не требуется организации большого количества новых связей. На рисунке 1.1 условно показано разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора.

Рисунок 1.1. Функциональное разбиение процессора

Операционный процессор (ОП) служит для обработки данных, управляющий процессор (УП) выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов, а также генерирует последовательность микрокоманд.

Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора. Интерфейсный процессор (ИП) позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации и служит для управления обменом информации между процессором и периферийными устройствами и памятью ЭВМ. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Приведенный пример разбиения логической структуры процессора ЭВМ является далеко не единственным. Например, интерфейсный процессор может быть выполнен в виде двух БИС - контроллера прямого доступа к памяти и контроллера ввода/вывода. Операционный процессор также может быть реализован в виде нескольких БИС - универсального микропроцессора и арифметического сопроцессора.

Совокупность функционально и конструктивно законченных частей процессора, выполненных в виде отдельных ИС, образуют микропроцессорный комплект БИС (МПК).

Все многообразие выпускаемых микропроцессоров можно классифицировать по следующим признакам:

1) по числу БИС в микропроцессорном комплекте различают однокристальный и многокристальные МПК. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде отдельных БИС (СБИС);

2) по назначению различают универсальные и специализированные МП. Универсальные могут быть использованы в различных видах вычислительной техники и цифровой автоматики. Среди специализированных МП можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, МП для обработки данных и другие;

3) по разрядности данных, обрабатываемых микросхемой все МПК можно разделить на 2-разрядные (серия 589), 4-разрядные (серии 582, 1804 и другие), 8-разрядные (серии 580, 1816, 1830 и другие), 16-разрядные (серии 581, 1810, 1811 и другие), 32-разрядные (I80386 ), 64-разрядные (Pentium);

4) по виду обрабатываемой информации МП могут быть разделены на цифровые и аналоговые. В цифровых микропроцессорах прием, обработка и выдача информации ведется в цифровой форме. В аналоговых МП информация на вход поступает в аналоговой форме, а затем преобразуется в цифровую форму и в таком виде обрабатывается микропроцессором. Результаты обработки преобразуются в аналоговую форму и поступают в таком виде на выход (пример, серия 1813);

5) по виду временной организации работы МПК делятся на синхронные и асинхронные. В синхронных МП начало, и конец выполнения операции задаются устройством управления. Время выполнения команды в этом случае не зависит от вида и величины операндов. В асинхронных микропроцессорах начало выполнения каждой следующей команды определяется по сигналу фактического выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорные системы в состав асинхронно работающих БИС вводят специальные цепи, формирующие сигналы запроса на получение следующей команды. При этом роль естественного распределителя работы принимает на себя память, которая в соответствии с установленными правилами обслуживает запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными;

6) по количеству выполняемых программ различают одно и многопрограммные МП. В однопрограммных МП выполняется только одна программа. Переход к выполнению следующей программы происходит после завершения текущей программы. В много или мультипрограммных МП одновременно выполняется несколько программ. Организация мультипрограммной работы МП управляющих систем позволяет осуществить управление большим числом управляемых объектов.

Как и любые другие, функционально-сложные изделия МП характеризуются параметрами функционирования, основными из которых являются:

- разрядность шины данных;

- разрядность шины адреса;

- разрядность команды;

- число команд;

- коэффициент функциональной мощности команды для выполнения операции формата регистр-регистр, который определяется минимальным числом команд, необходимых для реализации указанной операции (коэффициент функциональной мощности для выполнения операций формата регистр-память, умножение и другие).

С другой стороны МП – это интегральная схема, которая характеризуется параметрами, имеющими размерность напряжения, тока, время, сопротивления и т.д. К основным техническим характеристикам МП относятся:

- напряжение питания;

- уровень входных и выходных напряжений;

- токи потребления (статические и динамические);

- входные токи;

- токи нагрузки по выходам при высоком и низком уровнях напряжения;

- токи утечки на выходах с тремя состояниями;

- времена задержки распространения сигнала от входов до выходов;

- времена установления и удержания сигналов;

- период тактовой частоты;

- временные параметры тактовых сигналов (длительности низких и высоких уровней);

- входные и выходные емкости ИС;

- максимальная емкость нагрузки.